Complex Cells and the Representation of Local Image-Structure
Résumé
The receptive fields of simple cells in the visual cortex can be understood as linear filters. These filters can be modelled by Gabor functions, or by Gaussian derivatives. Gabor functions can also be combined in an 'energy model' of the complex cell response. This paper proposes an alternative model of the complex cell, based on Gaussian derivatives. It is most important to account for the insensitivity of the complex response to small shifts of the image. The new model uses a linear combination of the first few derivative filters, at a single position, to approximate the first derivative filter, at a series of adjacent positions. The maximum response, over all positions, gives a signal that is insensitive to small shifts of the image. This model, unlike previous approaches, is based on the scale space theory of visual processing. In particular, the complex cell is built from filters that respond to the 2D differential structure of the image. The computational aspects of the new model are studied in one and two dimensions, using the steerability of the Gaussian derivatives. The response of the model to basic images, such as edges and gratings, is derived formally. The response to natural images is also evaluated, using statistical measures of shift insensitivity. The relevance of the new model to the cortical image representation is discussed.
Les champs recepteurs des cellules simples du cortex visuel peuvent etre intepretees comme de filtres lineaires. Ces filtres peuvent etre modelises par des fonctions de Gabor, ou par des derivees gausiennes. Les fonctions de Gabor peuvent egalement etre utilisees dans le cadre d'un 'modele d'energie' de la reponse d'une cellule complexe. Cet article propose un modele alternatif des cellules complexes, base sur des derivees gaussiennes. Il est tres important de tenir compte de la non-sensibilite de la reponse d'une cellule complexe a des petites translations dans le plan image. Le nouveau modele utilise une combinaison lineaire des premieres derivees du filtre gaussien, en une seule position, pour approximer la premiere derivee en des position adjacentes. La reponse maximale, parmi toutes les positions, fournit un signal qui est insensible aux petits deplacements dans l'image. Ce modele, contrairement aux approches precedentes, est basee sur la theorie multi-echelle du traitement visuel. En particulier, la cellule complexe est construite sur la base de filtres qui repondent a la structure differentielle 2D de l'image. Les aspects calculatoires du nouveau modele sont etudies en une et deux dimensions, utilisant les proprietes d'invariance rotationnelle des derivees gaussiennes. La reponse du modele a des images type, comme des contours ou des grilles, est formellement obtenue. La reponse a des images naturelles est egalement evaluee, utilisant des mesures statistiques de l'insensibilite aux translations. La pertinence du nouveau modele par rapport a la representation corticale d'une image est egalement discutee.
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